電池儲能系統在電力電子技術中的應用

劉理

摘 要 隨著國家新能源、智能電網越來越受到重視，電池儲能系統在電力電子技術中有著廣闊的應用前景。電池儲能系統具有靈活容量配置和調峰調頻的能力，但它的電化學特性在目前階段制約了易維護和實用化以及電池往大容易的發展方向。所以如何利用電力電子裝置作為紐帶溝通電力電子和電化學這兩個完全不同的體系結構，一方面是電力電網提供如新能源配合、削峰填谷、無功支撐等等功能，另一方面如何保證電池正常使用壽命、不同的串并聯方式以及如何高效的適應不同電池類型都是值得我們探討的技術問題。

【關鍵詞】電池儲能系統 電力電子 技術問題

1 電池儲能系統簡介

電池按電化學反應原理的變化不同可分為鋰電池、全釩液流電池及鈉硫電池。而其中鋰電池又可以根據正極材料角度可以分為：錳酸鋰電池、鈷酸鋰電池、三元材料電池及磷酸鐵鋰電池。鈷酸鋰電池里面的鈷是非常珍貴的資源，成本也非常高，而且由于在高溫狀態及充電的狀態下有非常大的安全隱患，所以鈷酸鋰電池不適合在大容量電池儲能中應用。而價格便宜，又沒有環境污染，在安全性方面又好的錳酸鋰電池有著豐富的正極材料資源，在近幾年都已在電動公交車，電動車中的應用成功，都取得了重大突破。成本較低又相對安全的三元材料鋰電池其實是鈷酸鋰電池的替代品。有著循環壽命、制造成本、安全性方面都有明顯優勢的磷酸鐵鋰電池，它的能量密謀只有鈷酸鋰電池的四分之三。

電池就是通過電極和電解質之間的化學反應以及外部電路的連接完成電能和化學能之間的相互轉換，利用電化學原理進行轉化能量及儲存的裝置。電池系統具有靈活配置、不受資源制約和地理環境的特性，通過能量轉換裝置（PCS）連接到電力電網系統，就可以訊速調節無功和有功輸出，更加適合新一代新能電力電子和在新能源方面發展的需要。

2 電動汽車儲能潛力

當前，鋰離子電池在交通領域中的電動汽車上得到了非常廣泛的運用。

十年前，美國鋰離子電池達到了10億美元的市場銷售量，而且估計每年都在以50%至60%的幅度增長。

電動汽車可以通常通過兩種方式實現電網儲能。一種是電網—車輛（grid to vehicle，G2V）這種應用的車輛和電網的通信是雙向的，可是車輛從電網中獲得電能的僅作為負荷取得，而通信實現不了向電網提供電能，它只改變其充電速率。另一種是車輛—電網（V2G）車輛與電網的通信是雙向的，電池的放電、充電也是雙向的。車載電池不只是作為負荷從電網充電，同時又作為一種設備為電網提供電能。電動汽車大規模接入后，可以作為電源向電網反方向提供電能，也可以作為負荷調節電網負荷特性，從而實現削峰填谷，為改善電網性能，提供調頻、旋轉備用輔助服務，平滑可再生能源發電出力，從而提高電網的經濟效益。另外，通過優化控制充放電，電動汽車可以平抑風電、太陽能波動發電，提高電網消納新能源及再生能源發電利用率。

3 能量轉換裝置（PCS）和電力電子技術

從電力系統應用角度來看電池其實就相當是一個直流電壓源，成千上萬個電池組串并聯而成一個大容量電池堆，也會構成一個帶電容和內險的直流電壓源，而這種方式的能量是不能直接為交流電網使用的，所以需要適當的能量轉換裝置（PCS）把DC轉變成AC，而這種裝置一般都會需要應用現代電力電子器件和技術。

電力電子技術是以1957年第一個晶閘管的開始誕生為標志，從此，從家用電視、洗衣機、空調到大型廠礦用的內機變頻、軋鋼機到電力系統用的高壓直流、無功補償等等都是因為半導體開關器件的訊速發展而推動了電力電子裝置在這些行業當中的應用，各行各業都可以看到這些電力電子裝置的身影。而不管電力電子裝置在什么應用場合，都需要下面所示的3個內涵：

——電子和元器件（electronics and devices）

——控制系統 （systems and control）

——電力和能量應用 （power and energy）

以上的三者關系相互制約同時也是相輔相成，任何一方的需求或者不足都是需要另外兩方去滿足或者補充。

4 電池儲能系統在電力電子技術中的問題

電池儲能系統裝置在電力電子技術的中的應用，電力電子技術和對PCS裝置提出了全新的挑戰和要求，主要的問題體現在以下幾個方面：

（1）PCS要配合電網實現動態無功支持、孤網供電、調頻調峰、移峰填谷、電力系統穩定以及改善電能質量等多種應用功能系統，PCS是需要與電力系統進行頻繁實時互動，而不再是一個獨立的并網裝置系統級設備。

（2）電池組內部如果要實現主動均衡才能防止電池在運行過程中差異性擴大，通過電阻電容電感和開關器件實現充放電過程中的能量消耗。

（3）為了有效延長電池循環壽命，可以用分組方法結合PCS在直流側進行多個電池組的獨立電壓控制，但得以成本和系統復雜度提高及效率降低作為代價。

（4）儲能電站的黑啟動或者計劃內孤島運行則需要工作在電壓源模式，而PCS只有在電流源模式狀態下才能正常工作，這兩種方式的無縫轉換和外部電源的配合就是控制上的難點。

（5）要求PCS在外部電壓大幅波動的情況下跟蹤電網頻率和相位下的低電壓穿越，同時控制有功和無功的穩定輸出，這種情況在電壓不對稱跌落時非常困難。

5 結語

由于大容量電池儲能系統在電力電子技術中應用時間不長，而關鍵設備在國內外市場上也沒有非常成熟的技術路線和產品，因此需要從產品方案設計開始，借鑒光伏逆變器和內機變流器的經驗，綜合考慮直流電池和交流電網的特殊性，在效率、成本、體積和可靠性的各方面找到平衡點，為將來儲能逆變的產品開發作為充分的準備的工作。

參考文獻

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[2]崔艷華，孟凡明.釩電池儲能系統的發展現狀及其應用前景[J].電源技術，2015.

[3]王振文，劉文華.鈉硫電池儲能系統在電力電子系統中的應用[J].中國科技信息，2016.

作者單位

武漢船用電力推進裝置研究所 湖北省武漢市 430064